DYL高速视频12位DAC的研制

2012-09-19王怀荣

电子与封装 2012年6期

王怀荣

（中国电子科技集团公司第47研究所，沈阳 110032）

1 概述

数字技术日趋成熟，数字集成电路在高密度、高速度及低功耗等方面不断地取得新的发展和突破，数字技术的应用越来越广泛。

在实际工作中，需要能够将模拟量信号转换成简单数字信号的A/D转换装置和将处理后的数字信号回复成为模拟量信号的D/A转换装置。因此，系统处理数据的快慢，不仅取决于系统本身，还受限于A/D、D/A转换器的转换速度。所以研究如何提高A/D、D/A转换速度就显得十分必要和重要。尤其在现代军事抗衡中，尖端电子技术需要对信号快速准确地实时控制应用，高速视频A/D、D/A转换器是国防现代化中至关重要的电子元器件。

转换速度一直是A/D、D/A转换器在高速数字集成电路研究中的瓶颈之一。为了提高转换速度，在线路结构设计和制作工艺上,人们不断提出新的设计思想和理念，力争在高速电路的研究中有新的突破和提高。

中国电子科技集团公司第47研究所和中国科学院半导体研究所共同合作，在A/D、D/A的研制中采用我国独创的多元逻辑电路（DYL）结构，在转换速度上进行创新，该电路的成功改变了我国高速DAC研制落后的局面，为高速信号处理电路的研制提供了新的途径和方法。

2 电路原理、逻辑结构图及说明

DAC是将数字量转换成模拟量的功能部件。常规高速DAC线路均采用全并行转换方式，即利用高速电子模拟开关将确定的电压（或电流）传送到精密电阻网络，经电阻网络加权处理，实现信号转换，再通过高速缓冲部件完成转换输出。其转换原理图见图1。

图1 转换原理图

12位DAC的转换关系式为：

当Ci全为“1”时，

其中，V1和V2为电压基准参考值；i＝1，2，……，12；Ci为第i个模拟开关的控制信号，其值为“0”或“1”。

该高速DAC转换器电路在线路结构上与众不同，没有采用电流模拟开关构成的电流转换方式，而是采用新型高速差动电压模拟开关，通过抵消电压模拟开关的通道电阻来提高电压模拟开关的转换精度，同时又能直接实现幅值较大的电压模拟量输出，克服了电流型DAC输出幅度小、使用范围受限的缺点，其逻辑功能框图见图2。

图2 逻辑功能框图

基准电压产生差动基准信号V1和V2，在数字输入信号的控制下新型高速差动电压模拟开关将差动基准电压V1和V2高速传送到R-2R网络，在这期间输入边沿校正电路对输入信号边沿进行调整，以合适的输入边沿来减少转换器实现稳定输出所需要的建立时间；R-2R网络构成的T型电阻网络，对被转换信号进行二进制加权处理，实现信号的转换；高速缓冲输出电路降低输出信号内阻，增加驱动能力；同时实现信号的失调校正，完成转换输出。

3 关键技术的研究

3.1 多晶硅发射极

多晶硅发射极技术应用于高速集成电路的研制生产中，通过实现全离子注入浅结工艺，可提高NPN管的ft和β值，使12位DAC实现高速工作。该技术的研究主要是以浅结工艺为重点，从而实现该产品的建立时间满足小于等于20ns的目标，经验证得出最佳工艺条件如下：

注硼区参数控制在RS＝550±50Ω/□，Xj=0.3μm～0.4μm，LPVCD多晶硅生长d=450±50nm；

多晶硅离子注入磷：能量70keV，剂量3.0×1016，注入砷：能量80 keV，剂量3.5×1015；

按照上述条件进行工艺处理后，在870℃下、N2中退火40min，NPN管的β≥80倍，βVces≥14V。

3.2 高稳定薄膜

从12位DAC逻辑说明可知，R-2R网络与DAC的线性度和相对精度有关，所以解决高稳定薄膜性能问题是十分重要的。用新引进的Crsi靶材进行Crsi薄膜溅射，经对各种条件对比得到最佳工艺参数为：Crsi的Rs＝500Ω/□～600Ω/□，硅片的Rs均匀性达到1.8%，同一芯片内电阻网络的电阻均匀性达到0.6%，Crsi的温漂系数≤50×10-6/℃，经验证指标满足12位DAC的设计要求。

3.3 双层金属布线

为了缩小集成电路的芯片面积，减少布线长度，提高工作速度，该电路采用双层金属布线，关键技术是解决双层金属平坦化和通孔接触电阻问题。对我们来说，双层金属的通孔接触是关键问题。采用PLCVD SiO2+PECVC Si3N4结构的绝缘介质层，并合理控制等离子干法腐蚀和溅射台的反溅射条件，使通孔接触电阻满足了电路要求。

3.4 激光修正

对于高精度的DAC，由于加工工艺和其他方面对精度和参数的影响，采用激光修正技术手段是提高精度和成品率的重要途径。为了达到12位DAC的高精度指标，不论是激光机的光点设置还是实现自动修正的硬件和软件的研究工作，都是十分重要的。为了实现激光修正的高精度，对激光机的性能和指标进行了许多改进和调整，调整后的激光点直径达到4μm ～8μm，完善修正软件，实现全自动激光修正，对精度达不到指标的电路进行激光修正，使产品的相对精度达到设计要求。

4 新技术的应用

开展高速差动电压模拟开关在DAC中的应用研究，在工艺上以纵向PNP晶体管替代β NPN晶体管，提高了传输精度。该新结构已申请了国家发明专利，专利号为981003485.7。经研究表明：新结构的输入阻抗大于1010Ω，具有极小的输入损耗，开关延迟小于1ns。当输入负载为200Ω、动态范围为2时，其传输误差小于5μV，可实现极高的传输精度。

采用高速互补型输出缓冲电路新技术，解决了传统高速D/A转换输出阻抗较高、应用受限的问题。这种互补型输出缓冲电路不仅能驱动常规线性电路200Ω的负载，而且能驱动50Ω的负载，较大拓展了D/A转换器的应用范围，又由于采用了多级互补型共集电极电路，频带极宽，使输出延迟时间小于1ns，实现了极高的速度。

D/A转换器的速度即转换时间，是指模拟量在确定精度下达到稳定输出所需的时间。因此，输出高速带有过冲的边沿不等于D/A高速完成了转换，真实的建立时间是待过冲振幅降低到确定精度内的时间。封装后的电路，由于引线电感的存在，原先并不过冲的边沿也会出现过冲，在高速电路中更为突出。因此，输入边沿的调整对转换器的速度影响十分重要。在12位高速视频D/A转换器的预研制中，提出了一种通过控制偏置电流的方法来实现输入边沿调整功能。经验证，其可控范围较宽，达到了稳定的目标。

5 研制和测试结果

该电路研制成功后，在测试系统上进行了全参数测试，测试结果表明该电路各项参数指标达到设计要求，该电路通过技术鉴定，完全可以替代国外同类产品，满足用户要求，已成功应用于整机系统中。测试结果如图3和表1。

图3 转换特性测试结果

表1 电性能测试结果

6 技术创新

12位高速DAC的研制在多项技术理论上均有所创新。设计上，对多元逻辑理论及结构有了新的改进，而且该电路所采用的新型高速差动电压模拟开关结构已申请了国家发明专利；工艺上，在多晶硅发射极技术研究中，将掺杂工艺由原来的扩散方法改进为全离子注入，实现了浅结工艺，从而提高了电路的相对精度。另一创新点是在高稳定薄膜电阻方面开展了研究工作，使得网络电阻的精度和温漂系数大幅度提高。采用双层金属布线工艺缩小了芯片面积，提高了精度和转换速度。